Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính đến cuối năm 2014, cả nước đã có trên 43 triệu phương tiện mô tô, xe gắn máy được đăng ký lưu hành trên tổng quy mô dân số gần 90,6 triệu người. Xe máy hiện chiếm hơn 85% tổng lưu lượng phương tiện tham gia giao thông đường bộ tại các đô thị lớn. Báo cáo của Cục Cảnh sát Giao thông cho thấy các vụ tai nạn giao thông đường bộ diễn ra phức tạp nhất tại các tuyến quốc lộ và nội thị, nơi có mật độ giao cắt dày đặc và dòng phương tiện hỗn hợp. Đáng chú ý, có khoảng 33,3% trong tổng số các ca tai nạn giao thông nghiêm trọng dẫn đến tử vong hoặc thương tật nặng xuất phát từ việc người lái bất ngờ mất thăng bằng khi gặp tình huống khẩn cấp, dẫn tới ngã xe xuống mặt đường rồi bị các phương tiện khác va chạm thứ cấp.

Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực của tác giả Bùi Xuân Đức, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh năm 2017 dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Nghiên cứu tính toán và chế tạo mẫu hệ thống an toàn bị động hạn chế đổ ngã cho xe gắn máy. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trực tiếp trên phương tiện xe máy Honda Wave RSX 110 phân khối. Mục tiêu trọng tâm là thiết kế cơ cấu chân chống phụ thông minh sử dụng hệ thống truyền động khí nén kết hợp cảm biến điện tử, có khả năng kích hoạt tức thời trong thời gian chưa đầy 0,25 giây để giữ cân bằng thân xe khi phanh gấp hoặc phát hiện nguy cơ va chạm. Giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu trên 80% nguy cơ té ngã cho người điều khiển trong các tình huống nguy cấp mà còn bổ sung tiện ích tự giữ thăng bằng khi dừng đèn đỏ hoặc di chuyển qua các đoạn đường ngập nước trên 20 cm mà không cần chống chân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học chuyển động của phương tiện hai bánh và nguyên lý điều khiển tự động hệ thống cơ điện tử. Động lực học xe máy xác định tổng lực kéo động cơ phải triệt tiêu ba thành phần cản chính: lực cản lăn của bánh xe, lực cản dốc và lực cản khí động học gồm lực cản không khí cùng lực nâng khí động học. Khi xe vào cua hoặc gặp ngoại lực tác động ngang, sự dịch chuyển trọng tâm ra khỏi trục đối xứng sẽ tạo ra mô-men lật làm nghiêng đổ phương tiện. Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết an toàn bị động, định nghĩa hệ thống bảo vệ giảm thiểu chấn thương cho con người khi trạng thái mất ổn định xảy ra.

Mô hình nghiên cứu kết hợp ba khối cảm biến cốt lõi và hệ thống chấp hành khí nén:

  • Cảm biến gia tốc nhiệt MX2125 hoạt động trên dải đo ±3g với tần số xung từ 100 đến 400 Hz để nhận diện rung động, gia tốc phanh động và độ nghiêng thân xe.
  • Cảm biến góc nghiêng hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng Hall, xác định ngưỡng ngắt an toàn khi thân xe nghiêng vượt quá góc giới hạn 49 ± 4 độ.
  • Cảm biến khoảng cách hồng ngoại Sharp quang học có tầm quét từ 20 cm đến 150 cm nhằm phát hiện chướng ngại vật tiếp cận nhanh.
  • Hệ thống chấp hành khí nén gồm xy lanh tác dụng kép, van điện từ chia khí Solenoid và bình tích áp suất khí nén mini 12VDC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm khoa học kết hợp quan sát và phân tích mô hình hóa. Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Đề tài lựa chọn 01 mẫu xe máy phổ thông tiêu chuẩn là dòng Honda Wave RSX 110cc làm phương tiện nền tảng, đồng thời thiết lập tập dữ liệu thử nghiệm gồm hơn 150 chu kỳ đo lường tín hiệu phanh và khoảng cách vật cản. Phương pháp lấy mẫu có chủ đích được lựa chọn vì đây là dòng xe số có kết cấu khung sườn và phân bổ tải trọng đại diện cho hơn 60% lượng xe máy đang lưu hành tại Việt Nam.

Quy trình phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm lập trình đồ họa LabVIEW kết hợp Card thu thập dữ liệu chuyên dụng Hocdelam USB 9090 và mạch vi điều khiển Arduino Uno R3. Lý do lựa chọn hệ công cụ này là khả năng xử lý tín hiệu tương tự và tín hiệu số theo thời gian thực với độ trễ cực thấp, giao diện giám sát trực quan cho phép vẽ đồ thị biến thiên điện áp chính xác ở chu kỳ quét 10 ms. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán thiết kế, lập trình giải thuật và chế tạo mẫu thực nghiệm được tiến hành liên tục trong khung thời gian 12 tháng từ tháng 4 năm 2016 đến tháng 4 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán lý thuyết và thử nghiệm thực tế trên mô hình xe máy Honda Wave RSX mang lại các kết quả định lượng nổi bật:

Hệ thống cung cấp khí nén với xy lanh đôi JELPC 40x50 và van điện từ 4V210-08 điều khiển bởi nguồn điện một chiều 12VDC đạt tốc độ kích hoạt cực nhanh. Thời gian đáp ứng từ lúc nhận tín hiệu nguy hiểm đến khi cơ cấu chân chống phụ bung ra hoàn toàn chỉ mất từ 0,15 đến 0,25 giây, nhanh hơn gấp 2 lần so với phản xạ chống chân tự nhiên trung bình của người lái xe khoảng 0,5 giây.

Cảm biến gia tốc nhiệt MX2125 và cảm biến vị trí tay phanh hiệu ứng Hall phản hồi tín hiệu điện áp chính xác với độ lệch chuẩn sai số dưới 3% ở tần số 100 Hz. Hệ thống vi xử lý phân biệt chính xác 100% giữa hành vi bóp phanh giảm tốc thông thường và thao tác bóp phanh khẩn cấp đột ngột.

Trong hơn 50 lần thử nghiệm thực địa ở các dải vận tốc từ 20 km/h đến 40 km/h với các kịch bản phanh gấp, bẻ lái đột ngột và mô phỏng va chạm bên hông, cơ cấu chân chống phụ bung xuống tiếp đất chuẩn xác, tạo thành kết cấu ba điểm tựa vững chắc giúp triệt tiêu hoàn toàn mô-men lật ngang và ngăn chặn 100% tình huống xe bị ngã trượt trên mặt đường.

Thảo luận kết quả

Khác biệt với các hệ thống cân bằng phức tạp và đắt đỏ trên thế giới như ô tô điện hai bánh Lit Motors C-1 sử dụng hai con quay hồi chuyển tạo mô-men xoắn 1.700 Nm có chi phí hàng chục nghìn USD, giải pháp chân chống phụ khí nén trong luận văn có chi phí chế tạo thấp hơn khoảng 90%, đồng thời vượt trội hơn hệ thống cơ khí LegUp ở khả năng tự động hóa kích hoạt hoàn toàn dựa trên dữ liệu cảm biến đa kênh.

Dữ liệu thực nghiệm thu thập qua phần mềm LabVIEW được trực quan hóa qua các đồ thị tín hiệu điện áp: Đường đặc tính của cảm biến tay phanh khi phanh khẩn cấp có độ dốc dựng đứng, điện áp nhảy vọt từ mức 0,8V lên trên 3,8V chỉ trong 50 ms (so với mức tăng tuyến tính kéo dài 300 ms đến 500 ms khi phanh đều). Bảng so sánh thông số kỹ thuật cho thấy tổng khối lượng của toàn bộ cụm thiết bị gắn thêm chỉ khoảng 6,5 kg, khoảng sáng gầm xe vẫn duy trì an toàn trên mức 135 mm, đảm bảo tính thẩm mỹ và không làm suy giảm khả năng cơ động của phương tiện khi lưu thông thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Tối ưu hóa kết cấu cơ khí chân chống phụ bằng vật liệu hợp kim nhôm siêu nhẹ hoặc sợi carbon nhằm giảm ít nhất 30% trọng lượng cụm cơ khí trong vòng 6 tháng tới, do đội ngũ kỹ sư cơ khí động lực và xưởng chế tạo phụ tùng đảm nhiệm.

Nâng cấp bộ vi điều khiển lên chip xử lý 32-bit hiệu năng cao để rút ngắn chu kỳ trễ thuật toán xuống dưới 30 ms, đồng thời mở rộng dải nhận diện vận tốc kích hoạt tự động linh hoạt từ 5 km/h đến 60 km/h trong thời hạn 12 tháng thực hiện của nhóm kỹ sư lập trình nhúng.

Tích hợp đồng bộ cảm biến góc nghiêng đa trục kết hợp mô-đun radar sóng milimet quét 360 độ quanh thân xe nhằm nâng cao độ chính xác nhận diện nguy cơ va chạm từ mọi hướng đạt trên 95% trước năm 2028.

Đề xuất Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia cùng các doanh nghiệp sản xuất xe máy tại Việt Nam tổ chức chương trình thí điểm lắp đặt hệ thống an toàn bị động trên 500 phương tiện xe ôm công nghệ và người điều khiển phương tiện là phụ nữ, người cao tuổi trong giai đoạn 2 năm tới nhằm đánh giá hiệu quả giảm thiểu tai nạn trên diện rộng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế và phát triển phương tiện giao thông hai bánh: Tiếp cận trọn bộ sơ đồ nguyên lý mạch khí nén, cơ cấu cơ khí chống đổ và giải thuật điều khiển tự động để ứng dụng trực tiếp vào các dòng xe máy điện và mô tô thế hệ mới.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Cơ điện tử: Sử dụng tài liệu như một nghiên cứu tình huống điển hình về phương pháp mô hình hóa động lực học, kỹ thuật đo lường cảm biến qua Card LabVIEW và lập trình vi điều khiển thực tế.

Doanh nghiệp sản xuất phụ tùng và phụ kiện an toàn xe máy: Khai thác bản vẽ thiết kế và kết quả thử nghiệm để phát triển thành các bộ kit an toàn retrofit thương mại hóa có chi phí hợp lý cho thị trường xe hai bánh nội địa.

Các nhà hoạch định chính sách và chuyên gia an toàn giao thông: Tham khảo các số liệu phân tích về cơ chế chấn thương do té ngã xe máy để xây dựng quy chuẩn kỹ thuật an toàn bị động mới cho phương tiện giao thông cá nhân.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống an toàn bị động này kích hoạt dựa trên nguyên lý cảm biến nào? Hệ thống kết hợp tín hiệu đồng thời từ cảm biến vị trí tay phanh hiệu ứng Hall và cảm biến khoảng cách hồng ngoại Sharp. Khi người lái bóp phanh khẩn cấp tạo điện áp vượt 3,8V hoặc phát hiện vật cản ở cự ly dưới 1,5 mét với tốc độ tiếp cận nhanh, vi điều khiển lập tức kích hoạt van Solenoid xả khí nén đưa chân chống bung ra trong vòng 0,2 giây.

Cơ cấu chân chống phụ có gây mất lái khi xe đang chạy ở tốc độ cao không? Không. Cơ cấu được tính toán để chỉ kích hoạt trong các tình huống nguy cấp hoặc dải tốc độ được lập trình an toàn dưới 40 km/h. Bánh xe phụ được thiết kế với cơ cấu xoay tự do và giảm chấn đàn hồi, giúp ổn định phương tiện theo phương thẳng đứng mà không tạo lực cản làm lệch quỹ đạo di chuyển của xe.

Người lái có thể sử dụng hệ thống này để chống chân khi dừng đèn đỏ hoặc ngập nước không? Có. Hệ thống được tích hợp công tắc điều khiển bằng tay trên ghi-đông. Khi dừng đèn đỏ hoặc di chuyển qua các cung đường ngập nước sâu từ 20 cm đến 40 cm, người lái chỉ cần bật công tắc, hai chân chống phụ sẽ tự động hạ xuống giữ cân bằng tuyệt đối cho xe mà không cần phải đặt chân xuống mặt đường.

Nguồn cấp khí nén cho hệ thống được duy trì như thế nào trong quá trình vận hành? Hệ thống sử dụng máy bơm nén khí mini 12VDC lấy nguồn từ bình ắc-quy của xe máy và bình tích áp suất mini. Cảm biến áp suất khí nén tự động theo dõi và kích hoạt máy bơm hoạt động trong khoảng 30 giây để duy trì áp suất nén ổn định từ 4 đến 6 bar, đảm bảo dự trữ đủ năng lượng cho 3 đến 5 lần bung chân chống liên tục.

Trọng lượng hệ thống có làm xe máy bị nặng và tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn không? Tổng trọng lượng của cả bộ thiết bị gồm xy lanh, máy nén, bình tích áp và cụm chân chống chỉ tăng thêm khoảng 6,5 kg. Mức gia tăng tải trọng này chỉ tương đương khoảng 6% trọng lượng không tải của xe Honda Wave RSX (khoảng 100 kg), hoàn toàn không làm thay đổi đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu hay độ linh hoạt của phương tiện.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã tính toán hoàn chỉnh động lực học thăng bằng và chế tạo thành công mẫu hệ thống an toàn bị động chống đổ ngã cho xe gắn máy.
  • Cơ cấu chân chống phụ dẫn động bằng xy lanh khí nén tác dụng kép đạt thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 0,25 giây.
  • Hệ thống xử lý tín hiệu cảm biến thông minh qua LabVIEW và Arduino giúp nhận diện chính xác 100% tình huống phanh khẩn cấp.
  • Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống giảm thiểu hơn 80% nguy cơ trượt ngã thân xe khi gặp sự cố trên đường.
  • Bổ sung thành công tính năng tự giữ cân bằng khi dừng xe tạm thời và vượt qua các đoạn đường ngập nước đô thị.

Luận văn đã đóng góp một giải pháp khoa học thực tiễn có tính ứng dụng cao, mở ra hướng đi mới trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu người sử dụng xe hai bánh tại Việt Nam. Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, việc thương mại hóa sản phẩm với vật liệu tối ưu sẽ tạo nên bước đột phá lớn cho ngành công nghiệp phụ tùng an toàn giao thông.